用創(chuàng )新陶瓷方法簡(jiǎn)化LED散熱設計
本文將解釋這種理論方法、概念驗證以及如何借助陶瓷散熱器最終實(shí)現這些改良。 基于計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的仿真過(guò)程支持熱優(yōu)化和產(chǎn)品工藝設計。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/169274.htm發(fā)光二極管(LED)因受到發(fā)熱問(wèn)題的制約而妨礙其成為一種理想光源的情況是可以理解的。我們對散熱器給予了很大關(guān)注,但卻對LED和散熱表面間的各層和屏障考慮不多。
觀(guān)念和材料的改變除可簡(jiǎn)化系統實(shí)現外,還可以顯著(zhù)提高熱管理能力和可靠性。采用陶瓷作為散熱器、電路載體以及產(chǎn)品設計的一部分不僅需要新思路,還要有克服傳統模式的意愿。
熱是什么
眾所周知,LED是高能效光源,而且因為體積小深受設計師的喜愛(ài)。但只有當不涉及熱管理時(shí),它們才可以被真正地稱(chēng)為“小”。雖然與白熾光源高達2500℃的工作溫度相比,LED光源溫度要低得多。因此,許多設計師最終意識到散熱是個(gè)不可忽視的問(wèn)題。盡管LED仍然會(huì )發(fā)熱,但其溫度相對低一些,因此這不會(huì )有什么大問(wèn)題。不過(guò),基于半導體器件LED其工作溫度應低于100℃。
根據能量守恒定律,熱(能)必須要被傳送到附近區域。LED只能工作在25℃環(huán)境溫度和最高100℃之間,溫差范圍僅為75℃。因此,需要一個(gè)較大的散熱表面和非常有效的熱管理。
兩個(gè)優(yōu)化塊
如圖1所示,Group 1是LED本身,大體上仍是不能觸摸。中心位置是LED裸片以及一個(gè)將該裸片與LED底部連接起來(lái)的散熱銅條。從熱的角度講,理想方案是將LED裸片直接與散熱器綁定在一起。由于大規模生產(chǎn)的原因,這一概念在商業(yè)上行不通。我們把LED看作一個(gè)標準化的“目錄”產(chǎn)品,不能做改動(dòng)。它是個(gè)黑盒子。
圖1:在定義優(yōu)化塊時(shí),三個(gè)Group構建成一個(gè)熱管理系統。
Group 2包括散熱器,散熱器的功能是把熱從發(fā)熱源傳遞到散熱源。通常,周?chē)諝獠皇亲杂闪鲃?dòng)就是強制對流。散熱器的材料越不雅觀(guān),就越需被隱藏。但是,它隱藏得越深,其制冷效率也就越低。當然,也可選用外觀(guān)和性能都合適的材料。這些材料可以直接裸露在空氣中,成為產(chǎn)品設計的可見(jiàn)部分。
在Group 1和Group 2之間是Group 3,它提供了機械連接、電氣隔離和熱傳導。這看起來(lái)似乎很矛盾,因為大多數導熱性好的材料也可導電。反之,幾乎每種電絕緣材料也都隔熱。
最好的折衷辦法是把LED焊接到粘在金屬散熱器上的印刷電路板(PCB)上。PCB作為電路板的原始功能可被保留。雖然PCB具有各種熱傳導率,但它們都對熱傳導起著(zhù)阻隔作用。
有效的系統熱阻比較
可從制造商那里獲得LED(裸片到導熱片)和散熱器間的熱阻。不過(guò),很少有人關(guān)注Group 3及其對整體熱性能的顯著(zhù)影響。把除LED(Group 1)本身外的所有熱阻都加在一起,可以得到總熱阻(RTT)(圖2)。通過(guò)RTT可進(jìn)行真正的熱比較。
圖2:RTT指明了從LED散熱片到周?chē)h(huán)境的總熱阻。
陶瓷:一種材料實(shí)現兩種功能
僅優(yōu)化散熱器的作法很常見(jiàn)。目前已有上百種散熱器設計,它們基本上都由鋁構造。但為進(jìn)一步改進(jìn)性能,有必要提升甚至取消Group 3。電氣隔離功能必須通過(guò)其它材料從散熱器本身獲得。我們認為這種材料應該是陶瓷。諸如Rubalit(氧化鋁)或Alunit(氮化鋁)等陶瓷材料將兩個(gè)關(guān)鍵特性:電絕緣和熱傳導結合在一起。
Rubalit的導熱性能比鋁低,而Alunit的比鋁略高。另一方面,Rubalit不像Alunit那么貴(圖3)。它們的熱膨脹系數可滿(mǎn)足半導體的要求。此外,它們堅硬、耐腐蝕,并滿(mǎn)足歐盟的有害物質(zhì)限用指令(RoHS)。陶瓷是完全惰性物質(zhì),它們是整個(gè)系統最耐用的部分。
該簡(jiǎn)化結構(無(wú)膠粘、絕緣層等)將一個(gè)大功率LED與陶瓷散熱器直接且永久地綁定在一起,為整個(gè)組件創(chuàng )造了理想的工作條件。這帶來(lái)了優(yōu)異的長(cháng)期穩定性,安全的熱管理和高可靠性。我們已為這一方法申請了名為CeramCool的專(zhuān)利。
理論依據
CeramCool陶瓷散熱器是電路板和散熱器的有效整合,可以對熱敏感元件和電路進(jìn)行可靠地散熱。它支持器件間直接和永久的連接。此外,陶瓷本身是不導電的,它可以通過(guò)采用金屬襯墊提供綁定表面。如果需要,甚至可提供針對客戶(hù)的三維導體軌道結構。
對功率電子應用來(lái)說(shuō),可采用直接銅綁定。散熱器變成一個(gè)模塊基板,上面可密集擺放LED和其它器件。它可迅速地散掉產(chǎn)生的熱且不產(chǎn)生任何熱屏障。
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